准被动双足步行机器人样机研制及运动特性研究

论文摘要

被动动力步行的设计思想要求其充分利用被动机器人自身的自然动力学特性,因此步行过程步态自然、能耗低。纯被动步行机器人仅依靠重力的作用就可以在斜坡上稳定行走,而准被动步行机器人能够依靠一定的控制在平地上稳定行走,步态同样自然。目前对准被动双足步行机器人的研究主要集中在控制方法对步行稳定性的影响及结构参数优化上,对步态的分析较少。为了更深入的研究准被动双足步行机器人的步态特征,本文研制了带躯体的准被动双足步行机器人样机,设计了能够调整刚度的串联弹性驱动单元,解决了膝关节的碰撞使稳定性降低的问题。深入研究并提出了准被动双足步行机器人的位置控制方法及电机目标输出角度的算法,解决了柔性驱动单元弹性元件伸长量计算不准确的问题。最终通过在ADAMS中对Pro/E中建立的样机仿真及实体样机试验来分析准被动双足步行机器人在平地上行走的步态特征,同时验证了结构参数及控制方法的正确性。首先,本文建立了被动双足步行机器人的动力学模型,对模型进行了结构参数优化。根据参数优化结果在ADAMS中建立了带躯体带膝关节的被动机器人仿真模型,根据仿真结果获得了被动机器人的在平地上行走的步态特征。其次,详细分析了柔性驱动单元的特点,指出了柔性驱动单元的刚度及平衡位置对准被动双足步行机器人步态特征的影响,并设计出了能够调整刚度的柔性驱动单元。在此基础上建立了带躯体及膝关节的准被动双足步行机器人的样机。然后,建立了摆动腿的转矩输入模型,并根据被动机器人动力学特性计算出了模型的控制参数。提出了准被动双足步行机器人的位置控制方法,结合驱动器特点提出了控制方法的具体实现方法,同时提出了计算电机目标输出角度的算法,解决了柔性驱动单元弹性元件伸长量计算不准确的问题。最后,通过Pro/E样机模型在ADAMS中仿真获得了准被动双足步行机器人在平地上行走的步态特征。最终通过实体样机实验,进一步分析了准被动双足步行机器人的步态特征,并验证了被动机器人结构参数、柔性驱动单元刚度及控制参数对步态特征的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 被动动力步行的国内外研究现状
• 1.2.1 被动动力步行国外研究现状
• 1.2.2 被动动力步行国内研究现状
• 1.3 准被动步行机器人控制方法的研究现状
• 1.4 本文的研究目标和研究内容
• 第2章 被动双足步行机器人动力学模型及仿真
• 2.1 引言
• 2.2 被动双足步行机器人动力学建模
• 2.2.1 被动双足步行机器人动力学模型
• 2.2.2 被动双足步行机器人动力学方程
• 2.3 被动双足步行机器人结构参数优化
• 2.4 被动双足步行机器人动力学仿真
• 2.5 本章小结
• 第3章 准被动双足步行机器人的样机研制
• 3.1 引言
• 3.2 柔性驱动单元选择及设计
• 3.2.1 柔性驱动单元的特点
• 3.2.2 柔性驱动单元分析及设计
• 3.2.3 柔性驱动单元分析及设计
• 3.3 准被动双足步行机器人的样机设计
• 3.3.1 准被动双足步行机器人样机概况
• 3.3.2 柔性驱动单元连接及刚度调节
• 3.3.3 角平分机构设计
• 3.3.4 膝关节设计
• 3.3.5 足部设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 准被动双足步行机器人控制系统研究
• 4.1 引言
• 4.2 准被动双足步行机器人步行控制方法
• 4.2.1 准被动双足步行机器人摆动腿的力矩控制
• 4.2.2 摆动腿力矩控制与电机位置控制的转化
• 4.2.3 准被动双足步行机器人控制方法的实现
• 4.2.4 摆动腿输入转矩模型参数的确定
• 4.3 准被动双足步行机器人控制系统研究
• 4.3.1 控制系统的硬件结构
• 4.3.2 控制系统软件编程
• 4.4 本章小结
• 第5章 准被动双足步行机器人PRO/E 样机仿真及实验
• 5.1 准被动双足步行机器人PRO/E 样机仿真
• 5.2 准被动双足步行机器人实体样机实验
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢